CN203911941U - 一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，该系统包括依次串接数据相互转换的总线芯片、单片机、以太网接口芯片，再通过有线或无线传输与PC及连接，其中以太网接口芯片为W5100，单片机为C8051F120单片机，总线芯片为RS232芯片和/或RS422芯片，有线传输是通过以太网接口芯片和PC机上的RJ45接口，由数据线和RJ45接头将以太网接口芯片与PC机连接在一起。该转换系统很好的实现了串口数据和以太网数据的相互转换，具有简单可靠、传输效率高、稳定性高、成本低等特点，有一定的实用性和推广价值。

Description

一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统

技术领域

本实用新型涉及网络传输技术领域，尤其涉及一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统。

背景技术

现代数据采集系统的应用中对于远程数据通信的要求越来越高,传统的总线机制如RS232、RS422由于通信速度慢、传输距离近，无法满足大批量数据实时通信的需要。现在流行的USB总线能够达到非常高的传输速率,但传输距离有较大的限制。随着互联网硬件和软件的迅猛发展,以太网接口成为目前使用最广泛的网络接口，具有接口简单、通信速度高、传输距离远、通信协议完善和工作性能稳定等优点，能够实现远程高速数据通信系统。目前各种电气设备、仪器仪表以及生产过程中的数据采集与控制设备逐渐走向网络化，采用以太网的分布式测控系统极大地简化了工业生产过程中的数据远程监控。由于传统设备大部分采用串口，所以为了能够使传统设备接入以太网，并且节省设备成本，有必要设计一种串口数据和以太网数据的相互转换系统。

传统的以太网传输,经常使用CPU连接以太网接口芯片，例如ENC28J60、CP2200、RTL8019AS、DM9000等。这些芯片只实现了TCP/IP协议的物理层，所以必须使用CPU编写TCP/IP协议的链路层、网络层、传输层协议的程序，这些程序非常复杂，并且需要进行大量的调试，不利于系统的快速开发和稳定运行。Wiznet公司开发了具有内部硬件协议栈的网络接口芯片W5100，所以CPU不需要编写复杂的TCP/IP协议，能够大大地减小硬件接口设计和网络编程的工作量,降低产品的开发难度和缩短开发周期，能够实现可靠稳定的远程数据通信系统。

实用新型内容

本实用新型目的在于，克服现有技术中的缺陷，提供一套串口和以太网数据相互转换的系统，使用高速单片机作为核心处理芯片，使用总线芯片接收和发送串口数据，使用以太网接口芯片发送和接收以太网数据。使其具有简单可靠、传输效率高、稳定性高、成本低等特点。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，其特征在于，所述系统包括依次串接数据相互转换的总线芯片、单片机、以太网接口芯片，再通过有线或无线传输与PC机连接。

其中优选的技术方案是，所述以太网接口芯片为W5100。

优选的技术方案还有，所述单片机为C8051F120单片机。

优选的技术方案还有，所述总线芯片为RS232芯片和/或RS422芯片。

优选的技术方案还有，所述有线传输是通过以太网接口芯片和PC机上的RJ45接口，由数据线和RJ45接头将以太网接口芯片与PC机连接在一起。

本实用新型的优点及有益效果如下：针对传统设备的串口传输速度慢而且联网困难的特点，本实用新型的基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，提出了使用W5100和单片机C8051F120实现串口和以太网的数据相互转换系统。使用RS232和RS422芯片接收和发送低速的串口数据，使用单片机C8051F120作为核心处理芯片，使用W5100芯片进行以太网数据的发送和接收，设计了具体的硬件电路，使用C语言完成了单片机的程序设计。由于W5100内部集成了TCP/IP协议，所以单片机不需要编写复杂的TCP/IP协议栈。此转换系统能够实现传统设备接入以太网，达到了远程监控的目的。实验结果表明，该转换系统很好的实现了串口数据和以太网数据的相互转换，具有简单可靠、传输效率高、稳定性高、成本低等特点，有一定的实用性和推广价值。

附图说明

图1为本实用新型基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统的框图；

图2为系统中单片机与以太网接口芯片连接线路的示意图；

图3为单片机的程序总流程图；

图4为单片机的初始好程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型是一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，该系统包括依次串接数据相互转换的总线芯片、单片机、以太网接口芯片，再通过有线或无线传输与PC机连接。

在本实用新型中优选的实施方案是，所述以太网接口芯片为W5100。

在本实用新型中优选的实施方案还有，所述单片机为C8051F120单片机。

在本实用新型中优选的实施方案还有，所述总线芯片为RS232芯片和/或RS422芯片。

在本实用新型中优选的技术方案还有，所述有线传输是通过以太网接口芯片和PC机上的RJ45接口，由数据线和RJ45接头将以太网接口芯片与PC机连接在一起。

本实用新型基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统的工作原理和工作过程是：

该系统设计了一套串口和以太网数据相互转换的系统，使用高速单片机C8051F120作为核心处理芯片，使用RS232和RS422芯片接收和发送串口数据，使用以太网接口芯片W5100发送和接收以太网数据。使用Altium Designer软件绘制原理图和PCB图，在调试开发环境Keil uVision2下使用C语言进行软件编程。

1系统的硬件设计

为了能够高速的进行串口和以太网数据的实时转换，使用了高速处理器单片机C8051F120作为核心处理芯片，其主频最高达到100MHz，性能高100MIPS。使用MAX3232芯片接收和发送RS232串口数据，使用AM26LS33芯片接收RS422串口数据，使用以太网接口芯片W5100发送和接收以太网数据，此系统的硬件结构如图1所示。

1.1微控制器选用C8051F120

为了能够高速实时的处理串口数据和以太网数据，必须选择高速的嵌入式处理器，因此嵌入式处理器是此转换系统的核心器件。根据本系统的需求，选择了性价比高的C8051F120处理器。C8051F120是美国Silicon Laboratories公司生产的完全集成的混合信号片上系统型MCU，其主频为100MHz，性能高达100MIPS[4]。

C8051F120的主要特点有：100脚TQFP封装，具有64个数字I/O引脚；高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核；12位100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；2个16x16乘法累加器；128KB可在系统编程的FLASH存储器，用于非易失性数据存储，允许现场更新固件；8448字节的片内RAM；可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；1个SPI、1个SMBus（I2C）和两个UART串行接口；5个通用16位定时器；6个捕捉/比较模块；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；全速、非侵入式的片内在系统调试JTAG接口，允许进行非侵入式、全速、在系统调试，支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。C8051F120是能独立工作的片上系统，所有模拟和数字外设均可由用户固件进行配置。此单片机工作在工业温度范围（-45℃到+85℃），其端口I/O、复位管脚和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。

1.2RS232和RS422接口芯片：

C8051F120芯片内部集成了2个串口模块，包括UART0和UART1，使用UART0处理RS232串口数据，使用UART1处理RS422串口数据。控制设备的RS232数据通过MAXIM公司的MAX3232芯片，连接到单片机C8051F120的UART0模块P0.0TX0发送管脚和P0.1RX0接收管脚上，MAX3232芯片能够完成TTL信号和RS232信号的相互转换。

控制设备的RS422信号经过TI公司的AM26LS31M芯片转为TTL信号，连接到C8051F120的UART1管脚P0.3RX1接收管脚上；C8051F120的UART1模块TX1发送管脚P0.4发送的TTL信号经过TI公司生产的AM26LS33AM芯片转为RS422信号，发送给控制设备。

1.3以太网接口芯片W5100

以太网接口芯片使用WIZnet公司生产的固件网络芯片W5100[4]。W5100内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。W5100支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoE、Ethernet等网络协议；支持ADSL连接（支持PPPOE协议，带PAP/CHAP验证）；支持4个独立的Socket端口通信，内部16K字节的发送/接收缓冲区，可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层，支持自动应答，使用全双工和半双工模式；支持自动极性（MDI/MDIX）；多种指示灯输出（Tx，Rx，Full/Duplex，Collision，Link，Speed）。此芯片使用0.18μm CMOS工艺，其工作电压为3.3V，它的I/O口能够承受5V电压，使用LQFP80无铅封装，符合环保要求。W5100提供3种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。

在使用W5100时，微处理器的软件不需要编写复杂的TCP/IP协议，只需要进行简单的端口（Socket）编程，和访问外部存储器一样操作简单，从而使单片机在没有操作系统的支持下能够实现Internet的连接。所以，使用W5100能够大大简化系统的硬件接口设计和网络软件编程的工作量，从而实现高速可靠稳定的远程数据通信，可以广泛用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。

为了节省单片机C8051F120的数字IO资源，W5100使用SPI总线和C8051F120连接。W5100的串行接口模式只需要4个管脚和MCU连接，包括：SCLK，为SPI的时钟引脚，用于SPI时钟输入；SCS，为SPI的从模式选择引脚，用于SPI从模式选择输入，低电平有效；MOSI，为SPI的主输出/从输入引脚；MISO，为SPI的主输入/从输出引脚。单片机C8051F120内部集成了1个SPI模块，可以使用此模块直接和W5100连接，如图2所示。

图2中，W5100的SEN引脚连接高电平，表示W5100使用SPI模式。C8051F120集成的SPI模块中的NSS管脚是本身作为从模式使用的，所以不能和W5100的SCS连接，因此使用了一个数字IO管脚P1.0连接W5100的SPI使能管脚SCS。W5100的中断请求管脚连接C8051F120的外部中断0输入管脚INT0。

W5100芯片通过HR901170A接插件连接到以太网上。HR901170A集成了隔离变压器和RJ-45接口，因此不需要使用单独的隔离变压器，提高了集成度，节省了电路板面积。

使用Altium Designer9.4进行原理图和PCB图的设计。

2系统软件设计与实现

此系统的软件设计是C8051F120的程序设计。C8051F120的程序使用KeiluVision2软件，编程语言使用Ｃ语言。单片机的程序包括初始化程序、中断服务程序、发送数据程序，总流程图如图3所示。

2.1初始化程序

初始化程序包括单片机自身的初始化、UART0的初始化、UART1的初始化、W5100的初始化、中断的初始化、SOCKET的初始化等，如图4所示。

C8051F120自身的初始化包括系统时钟的初始化、端口的初始化。系统时钟使用单片机内部集成的精确晶体振荡器，频率为24.5MHz，通过设置单片机的寄存器OSCICN和OSCICL寄存器使能、禁止和校准内部振荡器。C8051F120集成了一个锁相环（PLL），用于倍增内部振荡器或外部时钟源的频率，通过使用此PLL，产生的CPU工作频率为96MHz。

C8051F120芯片的大量数字资源需要通过4个低端I/O端口P0、P1、P2和P3才能使用。P0、P1、P2和P3中的每个引脚既可以用于通用的端口I/O（GPIO）引脚，又可以分配给数字外设，通过使用优先权交叉开关译码器来实现。对于此系统，需要映射的模块端口有：UART0的发送和接收端口、UART1的发送和接收端口、SPI的通信端口、外部中断0的输入端口。

串口UART0设置为全双工异步串行传输模式，使用定时器2产生波特率时钟，采用中断方式接收数据。定时器2设置为波特率发生器方式，设置定时器2的时钟源为系统时钟。串口UART1设置为全双工异步串行传输模式，使用定时器4产生波特率时钟，采用中断方式接收数据。定时器4设置为波特率发生器方式，设置定时器4的时钟源为系统时钟。

C8051F120作为SPI的主设备发出一系列指令控制W5100的运行，W5100工作在SPI从设备的模式0。C8051F120配置SPI模块为主模式，模式方式为模式0，并且设置通信速度为400Kbps。

W5100初始化包括设置基本配置的4个寄存器：模式寄存器MR、中断屏蔽寄存器IMR、重发时间寄存器RTR、重发计数寄存器RCR，并且配置有关网络信息的4个寄存器：网关地址寄存器GAR、本机物理地址寄存器SHAR、子网掩码寄存器SUBR和本机IP地址寄存器SIPR，最后设置发送缓冲区和接收缓冲区的大小并启动中断。由于本系统是经过以太网网线和PC机通信，所以设置的网关的IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0，IP地址为192.168.0.2。W5100的发送缓冲区和接收缓冲区都设置为2K字节。C8051F120通过SPI给W5100发送数据。根据SPI协议，SPI设备之间只有2条数据线。因此需要定义操作代码。W5100使用两种操作代码：读代码和写代码。在W5100的SPI模式，W5100使用完整32位数据流，包括一个字节的操作码、2个字节的地址码和1个字节的数据。操作码、地址和数据字节传输都是高位在前，低位在后，也就是说，SPI数据的第一位是操作码的高位，最后一位是数据的低位。C8051F120首先通过P1.0管脚把W5100的SPI使能管脚SCS置低电平，然后向SPI数据寄存器SPI0DAT写入要传输的数据，等待接收完成，最后W5100的SCS管脚置高电平。

中断初始化包括在单片机寄存器IE中使能外部中断0，在寄存器IE中使能串口UART0的中断、UART1的中断、全局中断。Socket的初始化包括设置以太网通信方式为TCP客户端模式，检查网关及获取网关的物理地址，设置分片长度等。

2.2中断服务程序

在UART0和UART1的中断服务程序中，把接收到的串口数据放到缓冲区中进行存储，当收到了100个串口数据，就设置标志变量，在以太网发送程序中把数据发送给W5100，如图4所示。

当W5100收到数据后，会触发产生C8051F120的外部中断0。在中断服务程序中，把接收到的数据保存在缓冲区中，同时设置标志变量，在串口发送程序中通过UART0和UART1把数据发送出去，如图4所示。

2.3数据发送程序

数据发送程序包括串口发送程序和以太网发送程序。串口发送程序把从以太网接收到的数据，通过RS232或RS485发送出去。以太网发送程序把从串口接收到的数据，通过SPI接口传输给W5100，W5100使用TCP协议通过以太网发送给PC机。

2.4系统测试

在PC上使用TCP/IP网络调试助手与串口调试助手二合一软件USR-TCP232-Test。设置PC机的IP地址为192.168.0.3，设置PC机为TCP服务器模式，目的TCP端口为7，本地TCP端口为8。使用以太网抓包软件ethereal观察收到和发送的TCP数据包。在PC机运行此程序，使用USB转串口线，把串口信号转为USB信号，方便和笔记本电脑连接。经过实际测试，在RS232和RS485的波特率为115200的bps的情况下，能够进行稳定的以太网数据传输，以太网的数据传输速率能够达到20Mbps以上。

3结论

针对串口和以太网的数据相互转换问题提出了一种基于W5100的解决方案，并实现了系统的设计和调试。此设计具有低成本、低功耗、性能稳定等特点，现场调试结果表明，此系统能够稳定的进行数据传输，能够满足远处数据通信和工业现场应用的要求。此设计在喷墨印刷实时在线检测系统中进行了应用，使用方便，运行稳定，具有较高的实用价值。

本实用新型不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，其特征在于，所述系统包括依次串接数据相互转换的总线芯片、单片机、以太网接口芯片，再通过无线传输与PC机连接，所述以太网接口芯片为W5100，所述单片机为C8051F120单片机。 

2.如权利要求1所述的基于以太网接口芯片的串口与以太网数据相互转换系统，其特征在于，所述总线芯片为RS232芯片和RS422芯片。